除铁器在立式泵磁悬浮轴承中的应用

于仁萍，陈君辉，司国雷

(1.烟台职业学院，山东烟台264670;2.烽火机械厂研发中心，四川成都611130)

磁悬浮轴承无接触、不需润滑的特性，使得其在透平机械中的应用广泛。将磁悬浮轴承应用于立式斜流泵中，相对当前使用的滑动轴承有诸多益处。目前关于磁轴承在立式斜流泵中的应用研究主要集中在新结构方面，缺乏对其实际应用情况的研究。磁悬浮轴承立式斜流泵在工作时，输送的流体中含有大小不一的铁磁性颗粒。在磁力的吸引、流场的作用、颗粒之间及与固体碰撞下，有些铁磁性颗粒易被吸附到磁轴承的工作间隙中，并与非磁性颗粒日久堆积造成磁轴承磨损。因此采用合适的装置疏导这些易进入磁悬浮轴承间隙的颗粒是很必要的。

目前，未见相关文献解决磁悬浮轴承立式斜流泵中铁磁性颗粒及非铁磁性颗粒掺混到磁轴承工作间隙中的问题。文中根据磁轴承工作间隙附近流场特性，在现有的磁轴承结构上增设一个永磁除铁器装置。文中研究内容涉及磁-流-固耦合的多场耦合，旨在考察多场耦合条件下磁性颗粒与非磁性颗粒的动力学行为。关于铁磁性颗粒在磁场及流场中的运动规律，国内外学者做了很多研究。前苏联著名学者FILIPPOV等［1］利用水、铁颗粒作为流化介质，在液固流化床外侧施加由频率为50 Hz 交流电产生的交变磁场，观察不同的实验条件下，颗粒的流化特点。A C LUA 等［2］基于单丝对磁性颗粒的捕集建立高梯度磁场进行磁力分离的模型。张夏等人［3-4］提出了考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型，将轨道模型中颗粒碰壁模型考虑壁面粗糙度和双流体模型中用概率密度函数积分法处理颗粒与光滑壁面碰撞模型的优点结合起来，引入壁面粗糙度对碰壁颗粒湍流影响的机制。杨荣清［5］建立了试验台，对磁性颗粒在高梯度磁场的动力学特性进行了试验研究，结果表明:减小气溶胶流量，增加外加均匀磁场的磁通密度，选用饱和磁化强度大的铁磁性金属丝组成格栅，减小金属丝的直径和增加格栅的排数都可以使格栅对颗粒物的捕集能力得以提高。张斌等人［6-7］采用欧拉双流体模型方法，用一阶隐式k-ε 双方程湍流模型和相耦合SIMPLE 算法，使用FLUENT 软件对磁流化床气、固两相流动进行数值模拟，然而在流化床上所加的外磁场是运用UDF(User Define Function)在动量方程的源项中加入磁场定义式的，而磁场的分布是强非线性的，运用磁场定义式存在一定误差，这就使得其结果和实际偏差较大。文中利用欧拉-欧拉双流体模型，采用湍流模型，考虑外磁场的作用下液固耦合，通过COMSOL Multiphysics 软件数值模拟，分析除铁器周围的颗粒相分布特性，证明永磁除铁器装置的可行性。

1 计算模型与方法

除铁器在磁轴承中的安装位置见图1，为了便于分析永磁除铁器的特性，对除铁器模型进行简化并假定:

(1)通过的铁磁颗粒均为球体，且半径相同;

(2)铁磁颗粒和水的温度在各处均相同，它们之间无热量交换;

(3)忽略转子的转动对流场的影响。

图1 除铁器装置

1.1 质量方程

式中:i表示液相或颗粒相，εi为i相体积分数，v为速度矢量，ρi为i相密度，t为时间。

1.2 液相动量守恒方程

式中:g 为重力加速度;p 为液体压力;β 为液相与颗粒相之间的曳力系数;τ1为液体应力张量，其表达式为:

式中:Ⅰ为单位向量。

1.3 颗粒相动量守恒方程

式中:Fm为颗粒所受磁力，τ2为颗粒相相应力张量。

式中:Mp为颗粒相的磁化强度，χp为颗粒相的磁化率，μ0为真空磁导率。

式中:p2为颗粒相压力，ξ2为颗粒相动力黏度，μ2为颗粒相剪切黏度。

1.4 k-ε 双方程

液相湍动能和耗散率方程为:

式中:μl为湍流黏性系数，Gk为由平均速度梯度所引起的湍动能的增量。

取:cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，σε=1.33。

2 计算结果及分析

文中旨在研究外加磁场下泥沙颗粒-水多相耦合关系。设颗粒的平均直径为0.1 mm，密度为2 500 kg/m3，颗粒相体积分数为0.5%～6%。为了减小计算量和复杂度，简化模型并采用二维轴对称结构进行数值模拟，所需参数为:永磁铁磁化率750 A/m，充磁方向为径向，颗粒相相对磁导率为2 000，动力黏度为0.05 Pa·s，颗粒相和液相的初始速度为5 m/s。通过COMSOL Multiphysics 软件数值模拟，得到图2。

图2 颗粒相随时间变化的分布

从图2 可以看出:远离磁轴承工作间隙的颗粒随着流体的运动而被直接输运到泵出口。而除铁器及磁轴承工作间隙周围颗粒相的分布是动态变化的，首先是靠近磁轴承工作间隙的颗粒相逐渐增加，这是由于颗粒相中的铁磁性颗粒被除铁器及磁轴承的磁力吸引的缘故。在外磁场中的磁性颗粒经磁化，颗粒之间存在相互吸引作用，从而导致它们互相靠拢，聚集成团，这些颗粒团尺寸增大后不易通过间隙进入到磁轴承工作间隙中。

随着颗粒团堆积，颗粒团越来越大，悬浮在水中的非磁性颗粒由于相互之间的疏水作用而吸引并和磁性颗粒聚集成更大的团块。在体积比很小(小于0.5%)时，颗粒并不能形成长链，而是形成大量的不连续独立短链;体积比增加到1%时，短链之间发生聚集和交联，产生大量的分支链。随着体积比继续增加，颗粒链之间聚集和交联增多，颗粒链变粗而且形成网状结构［8］。粒团除了受到磁力的作用，同时还受到自身的浮力及水流作用力等，使得粒团外围部分摆脱磁力吸引而顺着水流被冲走。这样，这个颗粒团慢慢变小，而后续的磁性颗粒又由于磁场的吸引而被吸附到除铁器与磁轴承工作间隙周围，使得粒团变大，如此周期反复。

另外，铁磁性颗粒被泥沙中的非磁性悬浮物包络形成凝胶状的物质，由于泥沙颗粒表面的物理化学特性，使海水中的盐离子会吸附在泥沙颗粒表面，并且颗粒间存在静电排斥作用，形成双电层结构。同时，胶体颗粒间存在的vander Waals 力，使它们相互靠近［9-10］，不会进入磁悬浮轴承的工作间隙中造成堵塞。

3 结论

提出一种应用于磁轴承立式斜流泵的除铁器装置，有限元分析结果表明:

(1)远离磁轴承工作间隙区域的铁磁性颗粒和非磁性颗粒随流场流动方向流动并被输运至泵出口。

(2)磁轴承工作间隙周围的铁磁性颗粒能够较好地被除铁器吸附，不会进入磁轴承工作间隙中。

(3)磁轴承工作间隙周围的非磁性悬浮物容易与磁性颗粒絮凝成团。由于磁吸引的作用，铁磁性颗粒被泥沙中的非磁性悬浮物包络形成凝胶状的物质不会进入磁轴承工作间隙中。

(4)文中所述除铁器结构能有效地解决磁悬浮轴承立式斜流泵中铁磁性颗粒及非铁磁性颗粒掺混到磁轴承工作间隙中的问题，进而提高磁轴承正常工作的可靠性。

［1］FILLIPPOV M V.The Effect of a Magnetic Field on a Ferromagnetic Particle Suspension Bed，Prik Magnit Lat SSR，1960，12:215.

［2］LUA A C，BOUCHER R F.Magnetic Filtration of Fine Particles from Gas Streams［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part E:Journal of Process Mechanical Engineering，1993，27(E2):109-122.

［3］张夏，周力行.考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型［J］.燃烧科学与技术，2002，8(2):140-144.

［4］张夏，周力行.利用考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型模拟气粒两相水平槽道运动［J］.自然科学进展，2006，16(1):66-71.

［5］杨荣清.高梯度磁场中磁性可吸入颗粒物动力学特性研究［D］.南京:东南大学，2006.

［6］张斌.磁流化床气固两相流动的数值模拟及实验研究［D］.南京:东南大学，2004.

［7］朱勇.磁场对流化床气固两相流动影响的研究［D］.南京:东南大学，2005.

［8］朱绪力，孟永钢，田煜.颗粒体积比和磁场强度对磁流变弹性体颗粒结构的影响［J］.清华大学学报:自然科学版，2010，50(2):246-249.

［9］王龙，李家春，周济福.黏性泥沙絮凝沉降的数值研究［J］.物理学报，2010，59(5):315-323.

［10］常青，傅金镒，郦兆龙.絮凝原理［M］.兰州:兰州大学出版社，1992:100-101.